基于GPS数据的OMIS图像航线校正研究

基于数据的图像航线校正研究熊桢，王向军，郑兰芬，童庆禧（中国科学院遥感应用研究所北京100101）数据用于遥感图像航线校正就是利用机载数据模拟计算出飞机飞行的各种姿态参数，从而对由机载成像光谱仪获得的遥感图像进行方位校正，使遥感图像达到几何粗校正的结果，为几何精校正打下基础。OMIS是中国科学院上海技术物理所新近研制的128通道成像光谱仪，并于1998年8月在江苏常州进行了试验飞行。结合这次实验，利用机载GPS数据对飞行图像进行了航线校正研究，并结合实际飞行数据进行了实验，获得了较好的结果。

1引言航空遥感技术广泛地应用于农、林、地质、石油、测绘、城市规划等领域。但由于航空遥感平台――飞机的飞行高度比较低，受到气流的影响比较大，要保持飞行的平直相当困难，因此，航空遥感图像的几何质量明显不如卫星遥感图像。因为卫星的飞行轨道和飞行姿态是已知的，进行卫星遥感图像几何校正时可以利用这些现成的参数。而对于航空遥感图像来说，由于飞行参数未知，要进行几何校正就困难得多。所以，航空遥感图像几何校正相对来说是一个十分重要的课题。以往遥感图像几何校正主要是通过地面控制点进行的，利用机载GPS数据进行航线校正是航空遥感图像几何校正的一种新的尝试。

数据用于航线校正的方法与步骤2.1读取GPS数据文件读取GPS数据文件要解决两个问题，一是坐标转换二是时间延迟处理。

2.1.1坐标转换由于记录的坐标全部是大地坐标，在使用前必须把大地坐标转换为高斯平面直角坐标。为了保证图像质量不因坐标转换受到损害，这里采用了比较严密的坐标转换公式同时，为了使坐标转换引起的几何变形*小，在坐标转换时，选取图像所在区域的平均子午线为投影的中央子午线。由大地坐标转换为高斯坐标的公式如下：B为纬度，l为经差。

2.1.2时间延迟处理一般接收机每一秒钟更新一次数据，每一秒钟的记录数为15个。由于硬件的原因，数据记录时有发生滞后于时间的情况。经过研究发现，这种滞后一般不超过3个记录，即不超过五分之一秒，而且这种滞后不一定发生在所有记录项，有时只有一项遥感技术与应用发生时间延迟，有时有几项同时发生时间延迟。如表1所示，当时间在第四行发生跳变，GPS数据记录项中，高度和速度发生时间延迟，它们的滞后时间为十五分之一秒，其它各项均发生跳变，没有发生时间延迟。由于这种时间延迟现像十分普遍，为了避免时间延迟造成的影响，必须对数据进行处理。考虑到时间延迟不超过五分之一秒的情况，在数据采样记录时，同时选取时间跳变后的3个记录进行比较，以3个记录中*新的记录为准。

线年月日时间纬度经度高度线速度2.2计算飞行姿态GPS数据一般包括这样几项内容：时间，经度，纬度，高度，线速度。可以根据这些数据在水平面内和竖直平面内拟合飞机的飞行轨迹，然后计算姿态参数。这里计算的姿态参数有3个：俯仰角j，航线方位角κ，侧翻角k.

2.2.1俯仰角在竖直平面内根据高度数据拟合一条曲线，然后根据相邻高度数据计算每一个更新数据点（即节点，后文均简称节点）处的飞行俯仰角。由于飞行实验时，没有采用摄影稳定平台，因此，飞机的俯仰角可以认为就是扫描仪的俯仰角，从而对图像进行纠正。

其中，s为节点前后两点之间的距离，s=（（x分别为节点的高斯坐标，H为节点前后两点的航高，j为俯仰角，j0表示仰角，j0表示俯角。

2.2.2航线方位角在水平面内根据数据拟合一条曲线，然后根据相邻坐标数据计算每一个节点处的飞行方位角。

其中，Δx，Δy分别为节点前后两点的纵横坐标差。

2.2.3侧翻角在水平面内，根据GPS数据拟合的曲线，计算每一个节点处的曲率半径r，然后根据动力学原理，计算飞机的侧翻角。同样，由于飞行实验时，没有采用摄影稳定平台，因此，飞机的侧翻角可以认为就是扫描仪的侧翻角，从而对图像进行纠正。

曲率半径r估算如下：其中，圆心坐标x可通过解线性方程组获得，为线段垂直平分线中点坐标。

飞机的受力情况如图1所示，其中向心力F为其中，m为飞机的质量，v为飞机的线速度，r为飞行轨迹的曲率半径。

飞机的倾斜角即侧翻角k为：其中，g为引力常数。

2.3计算各扫描行的姿态求解出各节点处的姿态参数后，就可以计算每一个扫描行的姿态参数了。各扫描行的姿态参数可以根据各节点的姿态参数内插计算也可以根据数据拟合曲线，内插出各扫描行的坐标数据，然后计算各扫描行的姿态参数。本文采用了前一种算法，即内插算法（图2）。

2.4计算各像元坐标首先计算各扫描行中间点的坐标，然后根据扫描仪的瞬时视场角IFOV，计算各像元的坐标经过旋转变换前像主点的空间坐标为（X，Y，H），经旋转变换后的坐标为（X其中，a这里，ψ为航向倾角，即俯仰角，ω为旁向倾角，即侧翻角，κ为航线方位角，如图3所示。

像元坐标计算公式如下：其中，T为扫描方向方位角，k为扫描行中心点侧翻角，k为扫描行左端点侧翻角，k为第i点的侧翻角，i=1，2，。..，512h为地面扫描行中心点处至扫描中心点距离，H为航高，s为第i个扫描点至扫描行中心点的距离，x1，y1为扫描行中心点坐标，x为第个扫描点的坐标。

2.5重采样根据像元坐标计算采样后所在的位置，然后把像元灰度值加权分配到各相邻像元，这里以距离的倒数为权其中，Q（u，v）为输出图像像元的DN值，P为四周的像元3实验结果本次实验采用了中国科学院上海技术物理所研制的128通道成像光谱仪OMIS于1998年8月在江苏常州试验飞行的数据，共8554个扫描行，每个扫描行512个像元，瞬时视场角IFOV为3毫弧度。

经航线校正前后的图像如图5至图9所示。

4讨论航线校正后的图像，图6为由GPS数据绘制的航迹图。对比图6和图7可以看出，利用机载GPS数据可以很好地纠正图像的偏航问题。经过航线校正后的图像完全忠实于飞行的实际轨迹。图8是未经航线校正的原始图像局部，图9是经航线校正后的图像局部，这两幅图像均取自图像的开始部分。从图9可以看出，图像仍然存在着几何变形。分析这种变形可以发现，它已经不是由航线扭曲造成的，而是由扫描仪的高频抖动造成的。如果在飞行实验时，使用摄影稳定平台，这项几何变形就会消失。目前中国科学院上海技术物理所正在研制这种用于航空扫描的稳定平台，相信不久就能解决由于扫描仪高频抖动致使图像几何变形的问题。此外，从图9还可以看出，经过航线校正后的遥感图像仍然存在着图像边缘畸变和高差畸变，这说明这种航线校正仅仅是解决了图像的偏航问题，并不能解决几何校正中的所有问题，仍须利用地面控制点等辅助数据进行进一步的几何校正。

5结论（1）利用机载GPS数据计算飞机的飞行姿态参数，可以很好地进行航线校正。

（2）经过航线校正后的航空遥感图像仍然存在着一些其它几何变形，比如图像的边缘畸变和高差畸变。如果飞行时没有摄影稳定平台，那末经过航线校正后的图像还存在着由扫描仪高频抖动造成的几何变形。

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